CN104820125B - 采用z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,包括Z轴梯度计和引线框初级线圈，所述Z轴梯度计为一种磁电阻Z轴梯度传感器，包括衬底、位于衬底上分开梯度特征间距的两个长条形软磁通量集中器、以及位于所述软磁通量集中器上、下表面上且与长轴中心线等距的磁电阻传感单元串，所述磁电阻传感单元磁场敏感方向垂直于所述长轴中心线且电连接成梯度传感器电桥，所述引线框初级线圈包括位于所述Z轴梯度计上方或下方的长条形电流检测带，所述检测电流方向平行于所述长轴中心线方向，本发明能够实现5‑50A电流测量，并具有低功耗、小尺寸、集成度高的优点。

Description

采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器
技术领域
本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器。
背景技术
电流传感器是磁性传感器的一个典型的应用，其原理在于将检测电流通过初级线圈，并在其中产生检测磁场，而后通过磁性传感器感应磁场强度，并转变成电压信号输出，从而建立检测电流和输出电压信号之间的关系。而集成电流传感器在于将磁性传感器、初级线圈集成并封装成一个电流传感器芯片，目前有两种典型集成电流传感器，图1为NVE公司AAV003集成电流传感器1，其测量电流可达5A,其磁性传感器2为GMR类型，且形成全桥梯度传感器，其初级线圈3为U形，其中初级线圈3包含的两个直长条31和32，且构成全桥的两组磁电阻传感器单元桥臂22和21分别位于直长条31和32的下方位置；如图2所示，桥臂R0和R1对应于直长条31，桥臂R3和R4对应于直长条32，直长条31在R0和R1位置附近产生的磁场为Hx1,直长条32在R3和R4位置附近的磁场为Hx2,且两者具有相反的磁场方向，大小相同；GMR磁电阻传感单元R0，R1，R3，R4具有相同的X磁场敏感方向，电桥连接结构如图3所示，为一种典型的全桥差分结构，两个输出信号端分别为V+和V-。
图4为另一种类型的集成电流传感器，infineon公司TL14970集成电流传感器4，其测量电流在-50A到+50A范围内，包括hall梯度传感器5，条带状初级线圈6，以及陶瓷隔离板7，用于隔离Hall梯度传感器5以及条带状初级线圈6，以及信号输出接口8，其中条带状初级线圈6和信号输出接口8一样都是引线框材料，此外，Hall梯度传感器5直接位于条带状初级线圈6的上方，图5为引线框初级线圈集成电流传感器平面位置结构图，Hall传感器单元R0和R1分别对称位于初级线圈6的中线9两侧，初级线圈6中的电流在R0位置和R1位置所产生的Z向磁场分量分别为Hz1和Hz2,其大小相同方向相反，其差分连接结构如图6所示，半桥结构的中间输出信号为Vout。
比较两种情况可以看出，相对于U形初级线圈需要两条相反电流的直导线来实现差分磁场，条带状初级线圈具有更大的宽度，而且采用的为引线框材料，因此能够通过更大的电流，因此值得推广。
相对于Hall和GMR传感器，TMR传感器具有更高磁场灵敏度更低功耗以及尺寸小等优点，因此采用TMR传感器完全可以制备出具有更高精度的集成电流传感器，另一方面，通过采用引线框直条带状初级线圈，可以实现更高幅度电流的测量，结合两者的优点完全可以实现一款具有高精度以及更大电流范围的新型集成电流传感器。
发明内容
因此，本文提出了一种结合高灵敏度、低功耗TMR磁电阻传感器和引线框电流的集成电流传感器，按照以下方式解决：
一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,包括Z轴梯度计和引线框初级线圈，其中所述Z轴梯度计为一种磁电阻Z轴梯度传感器，包含衬底、位于衬底上的分开梯度特征间距为Lg的两个长条形软磁通量集中器A1和B1、以及位于所述软磁通量集中器A1和B1上表面或下表面上且处于与软磁通量集中器长轴中心线等距的Y1和Y2两个侧位置处的磁电阻传感单元串，其中磁电阻传感单元的磁场敏感方向垂直于所述长轴中心线且电连接成梯度传感器电桥，所述引线框初级线圈包括位于所述Z轴梯度计正上方或者正下方的长条形电流检测带，所述两个软磁通量集中器A1和B1对称地位于所述长条形电流检测带平行于所述长轴中心线的带中心线两侧，所述长条形电流检测带的检测电流方向平行于所述长轴中心线方向。
优选地，还包括次级线圈，所述次级线圈包括两个串联的具有相反缠绕方向的子线圈，任一所述子线圈均包括两个对称位于所述软磁通量集中器长轴中心线两侧且反馈电流方向相反的两个直导线。
优选地，所述子线圈位于所述衬底与所述Z轴梯度计之间，或者位于所述Z轴梯度计的磁电阻传感单元与软磁通量集中器之间。
优选地，所述磁电阻传感单元为GMR、TMR或者AMR磁电阻传感单元。
优选地，所述梯度传感器电桥为全桥、半桥或者准桥结构。
优选地，所述次级线圈中的所述反馈电流在所述磁电阻传感单元串处所产生的反馈磁场方向和所述引线框初级线圈中的所述检测电流在所述磁电阻传感单元串处所产生的检测磁场方向相反。
优选地，还包括信号处理电路，所述集成电流传感器包括所述Z轴梯度计和所述引线框初级线圈时，所述Z轴梯度计信号输出端与所述信号处理电路相连，所述信号处理电路根据所述Z轴梯度计测量的检测磁场梯度来确定所述检测电流的值。
优选地，还包括信号处理电路，所述集成电流传感器包括所述Z轴梯度计、所述引线框初级线圈和所述次级线圈时，所述信号处理电路为负反馈电路，包括信号放大器、电源控制器和反馈电流采集器，所述Z轴梯度计信号输出端与所述信号放大器相连，在所述引线框初级线圈输入检测电流，所述检测电流在所述Z轴梯度计处产生检测磁场，经信号放大器进行信号放大后，作为反馈信号输入到与所述次级线圈相连的所述电源控制器，所述电源控制器调节所述次级线圈中的所述反馈电流，从而使得磁电阻传感单元处检测磁场和反馈磁场相抵消，所述Z轴梯度计处输出信号为0，所述反馈电流采集器与所述电源控制器相连，根据所述反馈电流的值来确定所述检测电流的值。
优选地，所述信号处理电路可以为ASIC芯片。
优选地，封装时，所述引线框初级线圈和所述Z轴梯度计封装在一起，或者将所述引线框初级线圈、所述Z轴梯度计和所述次级线圈、所述ASIC芯片封装在一起。
优选地，所述集成电流传感器在封装之后，还可以包含软磁屏蔽器，所述软磁屏蔽器位于所述Z轴梯度计上方。
优选地，所述检测电流幅值范围在5-50A范围内。
优选地，所述软磁通量集中器为选自Co、Fe和Ni中的一种或几种元素组成的软磁合金。
优选地，所述次级线圈材料为Au、Cu、Ag或者Al。
附图说明
图1为U形初级线圈集成电流传感器三维结构图；
图2为U形初级线圈集成电流传感器平面结构图；
图3为U形初级线圈集成电流传感器磁阻梯度传感器全桥电连接图；
图4为引线框初级线圈集成电流传感器三维结构图；
图5为引线框初级线圈集成电流传感器平面结构图；
图6为引线框初级线圈集成电流传感器磁阻梯度传感器半桥电连接图；
图7为Z轴磁电阻梯度传感器结构图；
图8为Z分量外磁场测量原理图；
图9为Z轴磁电阻梯度计全桥结构电连接图；
图10为Z轴梯度计和引线框初级线圈集成电流传感器结构图；
图11为Z轴梯度计对引线框初级线圈电流磁场测试原理图；
图12为Z轴梯度计和引线框初级线圈以及次级线圈集成电流传感器结构图；
图13为Z轴梯度计对引线框初级线圈和次级线圈电流磁场测试原理图；
图14为集成电流传感器信号处理图；
图15为带ASIC信号处理电路的集成电流传感器；
图16为集成电流传感器的封装结构图。
相对于Z轴Hall梯度传感器，在先前专利中，已经提出了一种磁电阻Z轴梯度传感器芯片(申请号2014102384186)，如图7所示，包括衬底10、位于衬底之上的两个分开梯度特征间距为Lg的长条形软磁通量集中器A1和B1，所述长条形软磁通量集中器长轴为Y方向，短轴为X方向，所述磁电阻传感单元串分别位于长条形软磁通量集中器A1和B1上表面或者下表面，且距离软磁通量集中器长轴中心线11具有相同距离的Y1，Y2两个位置处，其中对Z轴外磁场分量测量原理如图8所示，当来自于Z轴的外磁场分量Hz分别作用于软磁通量集中器A1和B1所在的位置时，Hz分量被扭曲成具有X和-X方向，且幅度相同外磁场分量Hx1和-Hx1，由于Y1和Y2位置处的磁电阻传感单元串同为X方向或者-X方向的磁场敏感方向，从而实现Z磁场分量的差分测量，所述磁电阻传感单元串之间电连接成梯度传感器全桥结构如图9所示，其中图9(a)中A1中的磁电阻传感器单元串连接成半桥结构，并通过中间信号输出端V-输出，实现对A1处Z磁场分量的测量，而B1中的磁电阻传感单元串连接成半桥结构，也通过中间信号输出端V+输出，实现对B1处Z磁场分量的测量，A1和B1处的Z磁场信号分量差值即为两个信号输出端V+和V-的差值，从而实现对Z磁场梯度的测量,图9(b)为典型的梯度传感器结构，位于A1和B1的相同一侧位置Y1或Y2处的磁电阻传感单元串分别连接成一个半桥结构，而后两个半桥之间实现差分，输出即为A1和B1处的Z磁场差分量。
因此本发明将以上所提出的一种磁电阻Z轴梯度传感器来取代Hall Z轴梯度传感器结合引线框电流实现一种集成电流传感器，该集成电流传感器将具有高精度和高电流幅度的优点。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例一
图10为采用Z轴梯度计和引线框电流的集成电流传感器结构图，包括Z轴梯度计13和引线框初级线圈15，所述引线框初级线圈15包括位于所述Z轴梯度计13正下方或者正上方的长条形电流检测带151，还可以包括其他电流引导部分(本图中没有给出)，所述Z轴梯度计13即为图7给出的一种磁电阻Z轴梯度传感器，所包括的两个长条形软磁通量集中器A1和B1对称分布于所述长条形电流检测带151的沿电流方向17的中心线18的两侧，所述引脚垫16和所述Z轴梯度计13之间通过引线连接，所述引脚垫16和所述引线框初级线圈15一起构成了引线框14。
图11为Z轴梯度计对引线框初级线圈15电流磁场测量原理图，长条形电流检测带151中的电流在长条形软磁通量集中器A1和B1处产生的Z轴磁场分量分别为HZ1和-HZ1，其磁场差分信号为2*HZ1，并在Z轴梯度计的信号输出端产生信号响应Vout，由于HZ1正比于电流信号I，因此Vout正比于电流信号I，从而能够对电流I进行测量，图11所示的集成电流传感器可以直接应用于开环集成电流传感器。
图12为Z轴梯度计和引线框初级线圈以及次级线圈集成电流传感器结构图，其中带二次线圈的集成电流传感器19，用于闭环集成电流传感器。在图11所示的集成电流传感器12的基础上，在Z轴梯度计13上增加了二次线圈20，所述二次线圈20包括两个子线圈21和22，具有相反的缠绕方向，串联连接，且所述子线圈21和22中任一个均包括两个直导线，子线圈21包括直导线23和24，子线圈22包括直导线25和26，所述直导线均平行于Y1和Y2处的磁电阻传感单元串，所述两个直导线相对于A1或B1的长轴中心线11或11’对称，且所述两个直导线中的反馈电流具有相反的电流方向。
图13所示为带二次线圈的集成电流传感器测量原理图，引线框初级线圈15在A1和B1处产生的Z轴磁场分量分别为HZ1和-HZ1，经过软磁通量集中器A1和B1的扭曲之后，分别在Y1和Y2处的磁电阻单元串处产生Hx1和-Hx1两个X向磁场分量，且Hx1磁场分量正比于检测电流I，二次线圈的直导线23和24、25和26如图13所示，在本图中位于磁电阻传感单元串的下方、衬底上方，其电流I1在直导线中的方向如图13所示，其中23和24具有相反电流方向，25和26具有相反电流方向，两个内侧的直导线24和26具有相同的电流方向，并与两个外侧直导线23和25电流方向相反，二次线圈中的电流I1在磁电阻传感单元串处产生的X磁场分量分别为-Hx1和Hx1，且与作用在同一磁电阻传感单元串处I所产生的电流磁场方向相反，因此每个磁电阻传感单元串处的总X向磁场为0，Z轴梯度计的输出信号为0，此时可以根据二次线圈中的反馈电流I1来确定初级线圈中的检测电流I。
图14为包含集成电流传感器的信号电路图，其信号处理电路29中包括信号放大器204、电源控制器202以及电流检测器205，检测电流输入到引线框初级线圈15中，并在Z轴梯度计200处产生检测磁场，经信号放大器204进行信号放大之后，作为控制信号来调节二次线圈20两端的电源控制器202，使得二次线圈20中的电流产生一个反向磁场，直至Z轴梯度计200处检测到的磁场为0，此时电流采集器205对二次线圈20中的电流进行检测，并转换成与初级线圈电流对应的信号输出Vout，其中电源控制器202以及Z轴梯度传感器200的电源均为Vs和GND端提供。
图15为包含ASIC的集成电流传感器的结构图，其中Z轴磁电阻传感器200的信号输出端和电源端，以及二次线圈20的电流输入端和电流输出端均连接到ASIC单元29上，另一方面，ASIC的三个外端口201，202和203即外电流传感器的三个端口，分别对应电源端Vs，地端GND以及电流信号输出端Vout，前两者用于集成电流传感器电源输入，后一个用于检测电流的信号输出。
图16为集成电流传感器封装结构图，包含初级线圈15的引线框和位于其上方的包含衬底10、长条形软磁通量集中器A1和B1以及位于其上方或下方的磁电阻传感单元串的Z轴梯度传感器，以及二次线圈20封装在一起，其中27为封装材料，可以单独使用，此外还可以在封装材料的位于Z轴梯度传感器的正上方覆盖一层屏蔽层28，以对外磁场的干扰进行屏蔽。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，本发明中的实施也可以进行不同组合变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，包括Z轴梯度计和引线框初级线圈，其中,
所述Z轴梯度计为一种磁电阻Z轴梯度传感器，包含衬底、位于衬底上的分开梯度特征间距为Lg的两个长条形软磁通量集中器A1和B1、以及位于所述软磁通量集中器上表面或下表面上且处于与软磁通量集中器长轴中心线等距的两个侧位置处的磁电阻传感单元串，其中所述磁电阻传感单元的磁场敏感方向垂直于所述软磁通量集中器长轴中心线且电连接成梯度传感器电桥，
所述引线框初级线圈包括位于所述Z轴梯度计正上方或者正下方的长条形电流检测带，所述两个软磁通量集中器A1和B1对称地位于所述长条形电流检测带平行于所述软磁通量集中器长轴中心线的带中心线两侧，所述长条形电流检测带的检测电流方向平行于所述软磁通量集中器长轴中心线方向；
还包括引脚垫，所述引脚垫和所述Z轴梯度计之间通过引线连接，所述引脚垫和所述引线框初级线圈一起构成引线框。
2.根据权利要求1所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，还包括次级线圈，所述次级线圈包括两个串联的具有相反缠绕方向的子线圈，任一所述子线圈均包括两个对称位于所述软磁通量集中器长轴中心线两侧且反馈电流方向相反的两个直导线。
3.根据权利要求2所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，所述子线圈位于所述衬底与所述Z轴梯度计之间，或者位于所述Z轴梯度计的磁电阻传感单元与软磁通量集中器之间。
4.根据权利要求1所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，所述磁电阻传感单元为GMR、TMR或者AMR磁电阻传感单元。
5.根据权利要求1所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，所述梯度传感器电桥为全桥、半桥或者准桥结构。
6.根据权利要求2所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，所述次级线圈中的所述反馈电流在所述磁电阻传感单元串处所产生的反馈磁场方向和所述引线框初级线圈中的所述检测电流在所述磁电阻传感单元串处所产生的检测磁场方向相反。
7.根据权利要求1所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，还包括信号处理电路，所述Z轴梯度计信号输出端与所述信号处理电路相连，所述信号处理电路根据所述Z轴梯度计测量的检测磁场梯度来确定所述检测电流的值。
8.根据权利要求2所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器,其特征在于，还包括信号处理电路，所述信号处理电路为负反馈电路，包括信号放大器、电源控制器和反馈电流采集器，所述Z轴梯度计信号输出端与所述信号放大器相连，在所述引线框初级线圈输入检测电流，所述检测电流在所述Z轴梯度计处产生检测磁场，经信号放大器进行信号放大后，作为反馈信号输入到与所述次级线圈相连的所述电源控制器，所述电源控制器调节所述次级线圈中的所述反馈电流，从而使得磁电阻传感单元处检测磁场和反馈磁场相抵消，所述Z轴梯度计处输出信号为0，所述反馈电流采集器与所述电源控制器相连，根据所述反馈电流的值来确定所述检测电流的值。
9.根据权利要求8所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器，其特征在于，所述信号处理电路为ASIC芯片。
10.根据权利要求9所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器，其特征在于，封装时，将所述引线框初级线圈和所述Z轴梯度计封装在一起，或者将所述引线框初级线圈、所述Z轴梯度计和所述次级线圈、所述ASIC芯片封装在一起。
11.根据权利要求10所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器，其特征在于，所述集成电流传感器在封装之后，还包含软磁屏蔽器，所述软磁屏蔽器位于所述Z轴梯度计上方。
12.根据权利要求1所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器，其特征在于，所述检测电流幅值范围在5-50A范围内。
13.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器，其特征在于，所述软磁通量集中器为选自Co、Fe和Ni中的一种或几种元素组成的软磁合金。
14.根据权利要求2、6、8或10所述的一种采用Z轴磁电阻梯度计和引线框电流的集成电流传感器，其特征在于，所述次级线圈材料为Au、Cu、Ag或者Al。
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